Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ПОДАВЛЕНИЯ РАДИОПОМЕХ

Изобретение относится к области снижения радиопомех, излучаемых электропроводкой или электроагрегатом транспортного средства, или защиты электропотребителей, входящих в состав транспортного средства, от нежелательных токов, наводимых в соединяющей их электропроводке внешними пульсирующими электромагнитными полями. Изобретение может быть использовано, в частности, в автомобилестроении для подавления электромагнитного поля, образуемого системой зажигания автомобиля.

Из патента US 5091604 (5 МПК H 02 G 13/00, Н 02 К 9/00), приор. 17.04.1990 г., из книги Я.Е.Голодовского, И.В.Зайцева, О.М.Лаврова "Грузовые автомобили высокой проходимости (ГАЗ-66, ЗИЛ-131, Урал-375), М., "Военное издательство министерства обороны СССР", 1968 г., стр.122...123, рис.88, стр.132, рис.98, стр.134...138, рис.100...104, а также из книги В.Б.Рабжаева, Г.М.Бабича, Л.М.Корец "Автотракторные провода и жгуты проводов", М.: "Энергоатомиздат", 1989 г., стр.16...17, рис.1.2, из "Справочника по расчету электромагнитных экранов" С.М.Аполонского, Л., Ленинградское отделение "Энергоатомиздат", 1988 г., стр.165...167, рис.5-5 и 5-6 известны устройства подавления (снижения уровня) радиопомех, включающие в себя охватывающий объект излучения или защищаемый от излучения объект (жгут [пучок] проводов или отдельный провод) экран, выполненный в виде гибкого чулка, образованного изолированным от электрических сетей транспортного средства, множеством равномерно распределенных, с плотностью не менее 75% переплетенных электропроводящих немагнитопроводящих проводников или единичным электропроводящим немагнитопроводящим навитым с малым шагом проводником. При этом экран, по меньшей мере его участки в районе соединительных разъемов жгута [пучка] проводов с агрегатами транспортного средства, выполнен гальванически соединенным с эквипотенциальными точками транспортного средства. При этом в ряде электротехнических или радиотехнических задач "масса" транспортного средства, для автомобиля - двигатель, рама и/или кузов, с достаточной степенью точности может рассматриваться в качестве эквипотенциальной поверхности.

При низких частотах излучения (поверхностный эффект отсутствует) вышеописанные типы экранов можно считать эквивалентными экрану со сплошными стенками.

Из патента US 3683232 (МПК Н 01 Т 13/04), приор. 03.02.1970 г., из книги "Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования" под ред. М.Н.Фесенко, М.: "Машиностроение", 1979 г., стр.197 известны устройства подавления радиопомех, включающие в себя охватывающий объект излучения (защищаемый от излучения объект) жесткий электропроводящий магнитопроводящий фасонный экран, образованный выполненными неразъемными (с возможностью механического и гальванического разъединения, для решения по патенту US 3683232) гальванически связанными корпусом свечой зажигания, гальванически и механически соединяемой с тепловым двигателем (частью эквипотенциальной поверхности транспортного средства), и экранирующей обечайкой (для решения по патенту US 3683232 оболочкой). При этом стенки экрана расположены коаксиально наиболее активно излучающим помехоподавительному резистору и контактному стержню свечи зажигания, расположенной со стороны контактного стержня части центрального электрода свечи зажигания, а также массе электропроводящего стеклогерметика, соединяющего центральный электрод и контактный стержень свечи зажигания.

Из практики транспортного машиностроения известно - применение вышеуказанных экранирующих устройств приводит к практически двухкратному увеличению электрической емкости объекта излучения (защищаемого от излучения объекта).

Для наглядной оценки влияния емкости электрических цепей на работу коммутируемых электрическими цепями устройств рассмотрим систему зажигания с накоплением энергии в индуктивности (катушке зажигания). Если пренебречь потерями, то амплитуда напряжения, развиваемого на вторичной обмотке катушки зажигания, описывается следующей зависимостью -

,

где U_2m - амплитуда напряжения на вторичной обмотке катушки зажигания,

I - ток в первичной обмотке катушки зажигания,

К - коэффициент трансформации катушки зажигания,

L₁ - индуктивность первичной обмотки катушки зажигания,

C₁ - емкость первичной обмотки и цепи питания катушки зажигания,

С₂ - емкость вторичной обмотки и цепи передачи энергии катушки зажигания.

Таким образом, амплитуда напряжения, развиваемого на вторичной обмотке катушки зажигания, обратно пропорциональна увеличению емкости цепей электрического питания и передачи энергии.

В системах зажигания автомобильных двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси потери энергии из-за шунтирующего сопротивления нагара на свече зажигания описываются следующей зависимостью -

А≈16е^{-(0,6∂U2m/∂t+0,3R)},

где А - потери энергии на шунтирующем сопротивлении нагара свечи зажигания,

R - величина активного сопротивления нагара на свече зажигания,

∂U_2m/∂t - градиент нарастания амплитуды вторичного напряжения, определяемый следующей зависимостью -

или

∂U_2m/∂t≈λU₁/(C₁+K²C₂),

где U₁ - напряжение, приложенное к первичной обмотке катушки зажигания.

λ - коэффициент, определяемый конструкцией катушки зажигания.

Таким образом, потери энергии в системе из-за шунтирующего сопротивления нагара на свече зажигания прямо пропорциональны увеличению емкости цепей электрического питания и передачи энергии.

Из книги "Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями" под ред. Д.Хиллиарда, Дж.Спрингера, перевод A.M.Васильева, М., "Машиностроение", 1988 г., стр.112...163, известно: процессы, происходящие в междуэлектродном пространстве свечи зажигания можно разделить на четыре этапа: три из них - емкостные: предпробой, пробой, дуговой разряд, а один из них - индуктивный: тлеющий разряд. Фаза пробоя характеризуется коротким временем протекания (несколько наносекунд) и большой силой тока, зависящей прямопропорционально от напряжения, подводимого к свече зажигания, и обратнопропорционально от полного сопротивления цепи искрового промежутка. Параметры фазы пробоя полностью определяются емкостью и индуктивностью элементов свечи зажигания и искры. Для энергетического баланса фазы пробоя характерно соотношение: потери около 6%, энергия плазмы около 94%. Фаза пробоя характеризуется относительно небольшой эрозией электродов, способностью воспламенения сильно турбулизированных потоков воспламеняемых смесей, способностью воспламенения смесей с коэффициентом избытка воздуха близким к 1,8, значительным влиянием на дальнейшие процессы горения рабочей смеси в цилиндре двигателя. При этом увеличение размеров искрового промежутка способствует увеличению продолжительности фазы пробоя и таким образом уменьшению энергии, сохраняемой для последующих фаз.

В этом случае электрическая емкость свечи зажигания (емкость между центральным электродом и корпусом свечи зажигания) имеет качественно положительную характеристику.

Фаза дугового разряда характеризуется увеличенным временем протекания (несколько микросекунд) и пониженной силой тока, прямопропорционально зависящей от напряжения зажигания и обратнопропорционально от полного сопротивления высоковольтной цепи. Параметры фазы дугового разряда полностью определяется емкостью высоковольтных проводов и катушки зажигания, помехоподавительными сопротивлениями высоковольтной цепи. Для энергетического баланса фазы дугового разряда характерно соотношение: потери около 50%, энергия плазмы около 50%. Фаза дугового разряда характеризуется значительной эрозией электродов свечи зажигания, хорошей способностью воспламенения относительно быстро движущихся потоков воспламеняемых смесей, способностью воспламенения смесей с коэффициентом избытка воздуха не выше 1,4.

В этом случае электрическая емкость системы зажигания должна находиться в строго регламентированных пределах.

Фаза тлеющего разряда характеризуется значительным временем протекания (несколько милисекунд) и малой силой тока, зависящей прямопропорционально от напряжения зажигания и обратнопропорционально от полного сопротивления вторичной обмотки катушки зажигания, высоковольтных проводов и помехоподавительных сопротивлений высоковольтной цепи. Параметры фазы тлеющего разряда полностью определяются индуктивностью катушки зажигания. Для энергетического баланса фазы тлеющего разряда характерно соотношение: потери около 70%, энергия плазмы около 30%. Фаза тлеющего разряда характеризуется незначительной эрозией электродов свечи зажигания.

Как видно из вышеизложенного, разработчик объектов излучения (защищаемых от излучения объектов) ограничен, зачастую, в возможности произвольного изменения их электрической емкости.

В качестве прототипа изобретения использовано известное из "Справочника по расчету электромагнитных экранов" С.М.Аполонского, Л., Ленинградское отделение "Энергоатомиздат", 1988 г., стр.167...168, рис.5-7 устройство подавления радиопомех, включающее в себя охватывающий объект излучения (защищаемый от излучения объект), гальванически соединяемый с частью эквипотенциальной поверхности транспортного средства экран, выполненный в виде обечайки (частный случай оболочки), образованной изготовленными из материала с заданными условиями эксплуатации и экономической целесообразностью, электрической и магнитной проводимостями первым и вторым отстоящими друг от друга короткозамкнутыми торцевыми контурами, выполненными в виде аксиально расположенных колец, а также множеством сориентированных в направлении между первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами установленных с интервалом стержней, каждый из которых содержит первый гальванически соединенный с первым торцевым короткозамкнутым контуром и второй гальванически соединенный со вторым торцевым короткозамкнутым контуром концы. При этом каждые два рядом расположенных стержня, а также расположенные между первыми концами этой пары стержней участки первого торцевого контура и расположенные между вторыми концами этой пары стержней участки второго торцевого короткозамкнутого контура выполнены с образованием бокового коротко-замкнутого контура.

Среди недостатков вышеуказанной конструкции экрана можно выделить ее меньшую эффективность экранирования по сравнению с экранами в виде сплошной оболочки (обечайки) и, как следствие, экономическую целесообразность применения системы короткозамкнутых стержней, преимущественно, для случая, когда сплошные оболочки (обечайки) выполнены из относительно плохо проводящих материалов (например, сталь), т.е. лишь в этом случае уменьшение массы экрана влечет за собой не столь существенное уменьшение эффективности его экранирования.

Задачей изобретения было создание устройства подавления (снижения) уровня радиопомех, генерируемых размещаемыми на транспортных средствах объектами излучения, без значительного ухудшения энергетических, весовых, ценовых, эксплуатационных параметров объектов излучения (защищаемых от излучения объектов).

Задача решается в устройстве подавления радиопомех, включающем в себя охватывающий объект излучения (защищающий от излучения объект), гальванически соединяемый с частью эквипотенциальной поверхности транспортного средства экран, выполненный в виде оболочки (обечайки), образованной изготовленными из материала с заданными, условиями эксплуатации и экономической целесообразностью, электрической и магнитной проводимостями первым и вторым отстоящими друг от друга короткозамкнутыми торцевыми контурами, а также по меньшей мере двумя установленными с интервалом стержнями, каждый из которых содержит первый гальванически соединенный с первым торцевым короткозамкнутым контуром и второй гальванически соединенный со вторым торцевым короткозамкнутым контуром концы.

Задача решается тем, что экран снабжен по меньшей мере двумя выполненными из электропроводящего, или электропроводящего и магнитопроводящего, материала распределенными между стержнями экрана и в интервале между первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами перемычками, каждая из которых содержит первый и второй гальванически соединенные с разноименными стержнями экрана концы, по меньшей мере, один конец любой из перемычек расположен с отступом от первого и второго короткозамкнутых торцевых контуров, любые две наиболее близко расположенные перемычки из тех, чьи первые концы гальванически соединены с одним из стержней, вторые концы которых гальванически соединены с другим из стержней (или любая перемычка, из числа соседствующих с первым (вторым) короткозамкнутым торцевым контуром, первый конец которой гальванически соединен с одним из стержней, второй конец которой гальванически соединен с другим из стержней, и участок первого (второго) короткозамкнутого торцевого контура, расположенный между первыми (вторыми) концами указанной пары стержней), а также расположенные между первыми (вторыми) концами упомянутых перемычек (или расположенные между упомянутым участком короткозамкнутого торцевого контура и концами упомянутой перемычки) участки упомянутых стержней установлены с образованием множества дополнительных короткозамкнутых контуров, геометрические размеры каждого из которых выбраны из условия образования запредельного волновода для заданной типом транспортного средства (и/или условиями его эксплуатации) частоты спектра помехи. При этом перемычки, стержни и, по меньшей мере один из короткозамкнутых торцевых контуров экрана выполнены с фактической суммарной площадью их внешней, относительно объекта излучения (защищаемого от излучения объекта), поверхности, составляющей 10...20% от площади поверхности защищаемого экраном объема.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

На фиг.1 изображен внешний вид устройства подавления радиопомех.

На фиг.2 изображены графики напряженности (в спектре регламентируемых для транспортного средства частот) электромагнитного поля, излучаемого системой зажигания двигателя автомобилей ВАЗ при отсутствии экрана и при наличии экрана, описанного материалах заявки в разделе "реализация изобретения".

Изобретение реализуется расположенным на электроизоляционном колпачке (не показан) свечи зажигания (не показана) и части длины присоединенного к свече зажигания высоковольтного провода 1 (объектов излучения), преимущественно, коаксиальным, относительно токопроводящих элементов указанных устройств, экраном 2, выполненным в виде конической способной к деформации, в силу изложенных ниже причин, перфорированной множеством сквозных круглых отверстий, изготовленной зацело обечайки, образованной первым и вторым, отстоящими друг от друга, короткозамкнутыми торцевыми контурами 3, 4, множеством стержней 5, а также множеством перемычек 6.

Первый короткозамкнутый торцевой контур 3 образован выполненным из материала с высокой электропроводностью тонкостенным с небольшой высотой кольцом, охватывающим высоковольтный провод 1 с небольшим зазором. Второй короткозамкнутый торцевой контур 4 образован выполненным из материала с высокой электропроводностью тонкостенным с увеличенной высотой разрезным кольцом, охватывающим, с натягом и с образованием гальванического контакта гальванически связанный с эквипотенциальной поверхностью транспортного средства (не показана) корпус 7 свечи зажигания (не показана).

Стержни 5 выполнены в виде изготовленных из материала с высокой электропроводностью сориентированных в направлении между первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами установленных с интервалом тонких фасонных полос, каждая из которых содержит первый, расположенный со стороны первого короткозамкнутого торцевого контура 3, и второй, расположенный со стороны второго короткозамкнутого торцевого контура 4, концы. Концы любого из стержней в плане, относительно объекта излучения, сформированы в виде тавра с галтельно сопряженными полками. Торцы первых концов стержней гальванически и механически соединены с расположенным со стороны свечи зажигания торцом первого короткозамкнутого контура и равномерно распределены по его периметру, торцы вторых концов стержней гальванически и механически соединены с расположенным со стороны высоковольтного провода торцом второго короткозамкнутого контура и равномерно распределены по его периметру.

Перемычки 6 выполнены в виде изготовленных из материала с высокой электропроводностью сориентированных в поперечном направлении относительно продольной геометрической оси экрана распределенных между стержнями 5 и первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами 3, 4 тонких фасонных полос, каждая из которых содержит первый и второй противолежащие концы. Концы любой из перемычек в плане, относительно объекта излучения, сформированы в виде тавра с галтельно, сопряженными полками. Торец первого конца любой из перемычек гальванически и механически соединен с прилежащей гранью одного из двух соседствующих в ряду разноименных стержней, торец второго конца любой из перемычек гальванически и механически соединен с прилежащей гранью другого из двух соседствующих в ряду разноименных стержней.

Перемычки, стержни, а также первый и второй короткозамкнутые торцевые контуры расположены с образованием двух семейств короткозамкнутых контуров, одно из которых образовано множеством дополнительных короткозамкнутых контуров, а второе множеством коаксиальных, относительно продольной геометрической оси экрана, короткозамкнутых контуров.

Семейство коаксиальных, относительно продольной геометрической оси экрана, короткозамкнутых контуров включает в себя первый и второй короткозамкнутые торцевые контуры, а также множество расположенных с интервалом между первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами контуров, каждый из которых образован рядом последовательно установленных перемычек и расположенными между этими перемычками участками стержней.

Семейство дополнительных короткозамкнутых контуров образовано двумя группами короткозамкнутых контуров. Первая группа включает в себя множество короткозамкнутых контуров каждый из которых образован двумя расположенными с интервалом соседствующими в ряду в направлении между первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами перемычками, первые концы которых соединены с одним из двух соседствующих в ряду разноименных стержней, вторые концы которых соединены с другим из двух соседствующих в ряду разноименных стержней, а также расположенным между первыми и вторыми концами вышеуказанных перемычек участками вышеназванных разноименных стержней. Вторая группа включает в себя множество короткозамкнутых контуров, каждый из которых образован одной из соседствующих с первым или вторым короткозамкнутым торцевым контуром перемычек, первый конец которой соединен с одним из двух соседствующих в ряду разноименных стержней, второй конец которой соединен с другим из двух соседствующих в ряду разноименных стержней, расположенным между первыми (вторыми) концами упомянутых стержней участком первого (второго) короткозамкнутого торцевого контура, а также расположенным между упомянутыми перемычкой и участком первого (второго) короткозамкнутого контура участками вышеназванных разноименных стержней.

Геометрические размеры стержней и перемычек выбраны из условия технически достижимой, при изготовлении экрана, минимизации в плане, относительно объекта излучения, их поверхности и образования множества дополнительных короткозамкнутых контуров, геометрические размеры каждого из которых выбраны из условия образования запредельного волновода для заданной типом транспортного средства (и/или условиями его эксплуатации) частоты спектра помехи

В вышеописанном варианте исполнения экрана радиусы галтелей первого и второго концов перемычек и стержней выбраны из условия образования круговых, (одного из наиболее полно изученных, поддающихся описанию с помощью несложного математического аппарата вариантов) короткозамкнутых контуров 8.

В принципе, взаимное расположение перемычек и стержней, а также их расположение относительно первого и второго короткозамкнутых торцевых контуров, как собственно и образуемая вышеуказанными элементами форма устройства помехоподавления, могут быть отличными от описанного варианта. Устройство помехоподавления может содержать экран, выполненный в виде N-слойной, разные слои которой гальванически связаны посредством первого и второго короткозамкнутых торцевых контуров, оболочки (обечайки). При этом геометрические характеристики дополнительных короткозамкнутых контуров разных слоев могут быть выбраны из условия образования ряда запредельных волноводов для разных, из числа заданных типом транспортного средства (и/или условиями его эксплуатации), частот спектра помехи.

Устройство подавления радиопомех работает следующим образом.

Для короткозамкнутого кругового контура, выполненного в виде круглого отверстия в тонкой пластинке, для волн вида H₀₁ (волна с отсутствующей продольной составляющей электрического поля) условие образования запредельного волновода (затухания волны при прохождении через отверстие) определяется следующей зависимостью:

λ_кр=1,64r_k,

где λ_кр - критическая длина излучаемой волны,

r_k - радиус короткозамкнутого кругового контура.

Все электромагнитные волны с длинами выше λ_кр, проходя через запредельный волновод, претерпевают затухание и в свободное пространство проникает ослабленное электромагнитное поле.

Учитывая поверхностный характер распространения тока в проводнике можно совершенно обоснованно перейти от рассуждений о круговых короткозамкнутых контурах к площади отверстий, формируемых первым и вторым короткозамкнутыми торцевыми контурами 3, 4, стержнями 5 и перемычками 6. Тогда условие образования запредельного волновода (для круглых отверстий) можно записать в виде:

λ≫S или ,

где λ - минимальная длина волны спектра излучения,

S - площадь отверстия,

r_о - радиус отверстия.

Для волн с длинами от 30 сантиметров и выше оптимальным будет отверстие диаметром 3...4 мм. Эффективность изготовленного в соответствии с описанием устройства подавления радиопомех отражена на графиках фиг.2 Учитывая, что электрическая емкость разделенных диэлектриком проводников прямо пропорционально зависит от суммарной площади взаимных отображений их противолежащих поверхностей, можно утверждать, что вносимая заявляемым устройством подавления радиопомех емкость обратно пропорциональна суммарной площади отверстий, сформированных посредством первого и второго короткозамкнутых торцевых контуров 3, 4, а также стержней 5 и перемычек 6.

Таким образом, заявляемое устройство снижения уровня радиопомех, генерируемых размещаемыми на транспортных средствах объектами излучения (частный случай исполнения которого описан в материалах заявки в разделе "реализация"), позволяет добиться снижения уровня радиопомех без значительного увеличения электрической емкости объектов излучения (защищаемых от излучения объектов) и, как следствие, ухудшения их энергетических параметров. При этом весовые, ценовые и эксплуатационные параметры, в силу малой материалоемкости устройства помехоподавления, также увеличиваются незначительно.